» » Электротехника радиолюбителя

Электротехника радиолюбителя

Инж. А. Н. Попов.


Самоиндукция и взаимоиндукция.
Мы познакомились с тем, что такое переменный ток и знаем его изображение посредством диаграммы (см. рис. 1). С другой стороны, нам известно, что электрический ток возбуждает магнитное поле около проводника, по которому он протекает (см. «Р. В» № 18). Мы познакомились также с явлением индукции; оно состоит в том, что движение магнитного поля около проводника возбуждает в нем электродвижущую силу (см. «Р. В.» № 19). Наглядно это представляют таким образом, что при пересечении провода магнитными силовыми линиями в нем наводится электродвижущая сила. Она тем больше, чем больше скорость движения магнитного поля.

Электротехника радиолюбителя


Сила магнитного поля около прямолинейного провода определяется силой тока, который идет по проводу. Очевидно, что, если мы имеем дело с переменным током, — и магнитное поле его будет переменно. Другими словами: магнитные силовые линии около провода будут двигаться.

Картина магнитных силовых линий около провода за период переменного тока показана на рис. 2. Разобрать ее мы представляем читателю. Подчеркнем только, что увеличение и уменьшение густоты линий мы всегда можем представить себе как их движение в сторону от проводника и по направлению к нему; иначе говоря, силовые линии будут пересекать проводник.

Электротехника радиолюбителя


Вывод ясен: в проводе наведется электродвижущая сила. Так как провод наводит ее сам по себе, то она называется электродвижущей силой самоиндукции, а все явление носит название самоиндукции. Математическим и опытным путем было установлено, что эта электродвижущая сила всегда направлена против основной электродвижущей силы, действующей в цепи. Она стремится препятствовать всякому изменению тока (закон Ленца). Таким образом, когда ток возрастает, эдс самоиндукции действует против основной и стремится уменьшить силу тока. Наоборот, когда ток уменьшается, эдс самоиндукции стремится его увеличить. Этим объясняются значительные искры, которые наблюдаются при размыкании электрических цепей.

Это явление можно пояснить как показано на рис. 3. Положим, что основная эдс цепи дает наверху мгновенный плюс, внизу мгновенный минус (рис. За). Тогда действие эдс самоиндукции можно представить мгновенной батарейкой (изображена пунктиром), которая стремится дать ток обратного направления. Рис. 3б дает картину явления после перемены знака основной эдс.

Электротехника радиолюбителя


Из сказанного ясно, почему эдс самоиндукции называют еще противоэлектродвижущей силой.

Как же нам учесть величину этой эдс? Из сказанного видно, что она определяется количеством магнитных силовых линий, которые пересекают проводник, и скоростью этого пересечения; или, что то же, скоростью движения линий. Количество силовых линий, которые могут пересечь проводник, определяется силой тока и геометрической формой проводника. Одна и таже сила тока даст в прямолинейном проводе одно число силовых линий, а в катушке — другое. Это число линий, возникающих около проводника, сцепленных с ним, и определяет его поведение в отношении эдс самоиндукции. Учитывается оно числом так называемых магнитных сцеплений, при силе тока, равной единице, и называется коэффициентом самоиндукции.

Из сказанного видно, что коэффициент самоиндукции зависит исключительно от формы проводника. Вообще наибольшим коэффициентом самоиндукции обладает катушка. Ясно, что их самоиндукция будет зависеть от длины катушки, ее диаметра, способа намотки, числа слоев и диаметра проволоки. Чем больше диаметр и длина катушки, тем больше самоиндукция. При прочих равных условиях, самоиндукция возрастает (и сильно) с увеличением числа витков.

Скорость движения силовых линий определяется частотой переменного тока, причем здесь играет роль не просто частота, показывающая, сколько периодов у нас проходит за секунду, а так называемая круговая частота. Она в 6,28 раза больше простой частоты. Подробнее останавливаться на понятии этой частоты мы не будем.

Таким образом, величина эдс самоиндукции определится произведением силы тока на круговую частоту и на коэффициент самоиндукции.

Очевидно, что всякая эдс, действующая в цепи против основной, уменьшает силу тока. С другой стороны, это уменьшение силы тока можно приписать какому-то сопротивлению. Отсюда следует, что действие самоиндукции в цепи мы можем заменить последовательным включением сопротивления. Величина его будет равна произведению круговой частоты на коэффициент самоиндукции (см. рис. 4). Это сопротивление называют индуктивным.

Электротехника радиолюбителя


Здесь нужно подчеркнуть коренную разницу, которая существует между сопротивлением, что мы рассматривали раньше (см. «Р. В.» № 16), — так называемым омическим сопротивлением, — и индуктивным. Омическое сопротивление вызывается тем, что электроны не могут свободно двигаться в проводнике, а встречают все время препятствия (другие электроны, ядра атомов). Ударяясь об эти препятствия, они теряют силу своего движения и этой бомбардировкой нагревают частицы проводника. Вся энергия тока, когда она идет по омическому сопротивлению, превращается в тепло. Когда же мы говорим про индуктивное сопротивление, то это означает лишь уменьшение силы тока вследствие явления самоиндукции. Конечно, каждая катушка представляет некоторое омическое сопротивление: раз она сделана из провода, — иначе и быть не может. Но обычно даже при низкой частоте, не говоря уже о радио-частотах, ее омическое сопротивление неизмеримо меньше индуктивного. Кроме того, когда говорят о схемах, подобных рис. 4, то под омическим сопротивлением подразумевают все омическое сопротивление цепи, т. е. присчитывают сюда и сопротивление катушки. Спираль же изображает «чистую» самоиндукцию и «чисто-индуктивное» сопротивление. Необходимо помнить, что чистая самоиндукция никакой энергии из цепи не забирает. Вся энергия, которая от генератора пошла на создание магнитного поля за первую четверть периода, возвращается эа вторую (независимо от направления тока).

Мощность, т. е. энергия, которую дает генератор за одну секунду, измеряется уаттами. При постоянном токе один уатт представляет мощность, которую дает батарея (или машина), если при напряжении в один вольт в цепи идет сила тока в один ампер. При постоянном токе вся мощность идет на нагрев. После сказанного понятно, почему омическое сопротивление называют еще уаттным, а индуктивное безъуаттным.

После того, как мы познакомились с явлением самоиндукции, должно быть ясно, насколько тесно связаны между собой оба вида сопротивлений: омическое и индуктивное. Что каждая катушка обладает омическим сопротивлением, об этом уже говорилось. Отметим здесь еще, что всякий провод, даже прямолинейный, имеет некоторую самоиндукцию. Здесь-то выступает очень заметно роль частоты переменного тока. Действительно, один и тот же прибор (скажем, реостат накала) при токе в 50 периодов в секунду будет давать некоторую эдс самоиндукции; главную роль будет играть его уаттное сопротивление, и мы с полным правом можем считать его реостатом (т. е. переменным омическим сопротивлением). При высокой же частоте (скажем, 300 000 пер. в сек., т.-е., λ = 1 000 м), хотя его омическое сопротивление осталось почти прежним, но эдс самоиндукции настолько возросла, что мы должны считать его «катушкой».

Отметим здесь еще одну черту самоиндукции. Хорошо известно, что привести в движение или остановить тяжелый предмет несравненно труднее, чем легкий. Так, если покатить по земле деревянный шар, мы без труда остановим его рукой. Если же этот шар будет чугунный, то нам придется как следует опереться и схватить его, чтобы не пустить дальше. Дело в том, что в чугунном шаре большая масса, и она препятствует всякому изменению движения (в нашем случае торможение и остановка). Это свойство называется инерцией и сила, получающаяся таким образом, — силой инерции. Так, в силу инерции, при внезапной остановке поезда или трамвая, мы падаем по направлению движения: наша инерция стремится поддержать движение вперед, в то время как ноги, находящиеся на полу вагона, уже остановились.

По закону Ленца, самоиндукция препятствует всякому изменению тока. Но ток не что иное, как движение электронов. Следовательно, самоиндукция выступает здесь в роли электро-магнитной инерции. Это механическое сравнение пригодится нам впоследствии при рассмотрении колебательного контура.

Электротехника радиолюбителя


Перейдем теперь к явлению взаимоиндукции. На основании изложенного легко понять, что переменное магнитное поле около провода будет наводить в соседнем «холостом» проводнике какую-то эдс. Возьмем для примера две катушки, расположенные недалеко друг от друга, как показано на рис. 5. Магнитные силовые линии левой катушки, к которой приключен генератор, будут заходить в правую катушку и дадут в ней эдс. Эта эдс, которую мы можем обнаружить на зажимах АБ, называется эдс взаимоиндукции. Величина ее будет определяться силой тока в левой катушке (ее обычно называют первичной), частотой этого тока и коэффициентом взаимоиндукции. Последний представляет собой число магнитных сцеплений (при силе тока в первичной катушке, равной единице), которые имеются между обеими катушками. Так же, как и коэффициент самоиндукции, он определяется только геометрической формой двух проводников. Практически мы всегда почти имеем дело с двумя катушками. В этом случае коэффициент взаимоиндукции будет зависеть, главным образом, от расстояния между ними. Чем оно меньше, тем больше взаимоиндукция, тем большую эдс мы получим на зажимах АБ, и наоборот.

Измеряется коэффициент взаимоиндукции в тех же единицах, что и самоиндукция, именно в генри или сантиметрах; один генри равен тысячи миллионов сантиметров. Обычные катушки, с которыми приходится иметь дело, имеют самоиндукцию от нескольких десятков тысяч сантиметров до нескольких миллионов. Индуктивное же сопротивление, равное произведению круговой частоты на коэффициент самоиндукции, измеряется в омах, если самоиндукция выражена в генри.

Электротехника радиолюбителя


Не останавливаясь подробно, укажем здесь, что (рис. 5), если клеммы АБ разомкнуты, вторая катушка не оказывает влияния на первую. Явление в первичной цепи протекает так, как будто бы ее вовсе и не было. Когда же мы замкнем цепь АБ (скажем, на омическое сопротивление, как на рис. 6), то она будет влиять на первичную. Это влияние выразится в том, что как бы уменьшится первичная самоиндукция и увеличится омическое сопротивление. Последнее понятно, так как цепь АБ забирает часть энергии из первичной и, следовательно, из генератора.

Совещание

Имя:*
E-Mail:
Полужирный Наклонный текст Подчеркнутый текст Зачеркнутый текст | Выравнивание по левому краю По центру Выравнивание по правому краю | Вставка смайликов Выбор цвета | Скрытый текст Вставка цитаты Преобразовать выбранный текст из транслитерации в кириллицу Вставка спойлера
Вопрос:
Составьте правильно слово из букв: с т р о и т е л ь с т в о р а д и о
Ответ:*